声光调制器

什么是声光调制器？

声光调制器（Acousto-Optic Modulator, AOM）是一种利用声波控制光在材料中传输的设备。它是一种强度调制器，基于声光效应的原理，即当声波作用于晶体或玻璃材料时，会导致材料的折射率发生变化。这种折射率的变化会导致光通过材料时方向和强度的变化。

声光调制器的工作原理

图1：声光调制器的内部示意图

在声光调制器中，内部连接有压电换能器，该换能器在玻璃或石英等材料中产生声波。当施加射频（RF）驱动信号到换能器时，会产生声波。AOM换能器刺激的声波频率可达100 MHz，声波波长为10 μm - 100 μm，声功率范围为1 W - 10 W。这些声波产生周期性的压缩和稀疏平面，导致折射率的变化，如图2所示。因此，入射的光束在输出端被衍射成多个级次。换能器的另一端使用吸收器，以将所有声波引导到吸收表面，防止产生次级波的反射。图1展示了AOM的典型工作情况，其中换能器产生声波，而光线部分被衍射。

声光调制器，也称为布拉格单元，在布拉格条件下工作，即入射光以与声波传播方向垂直的布拉格角入射。当在薄晶体中发生正弦调制时，会获得-1（低强度）、0（光强度无变化）和+1（高强度）的衍射级次。

衍射光束的频率与入射激光束的频率相差一个等于RF频率的量。如果f是RF频率，fL是激光频率，那么衍射光束的频率为fL+f或fL-f，这种频移取决于声光调制器的方向。

大多数AOM在布拉格条件下工作，此时第一衍射级次的衍射效率显著，而其他级次的衍射几乎不存在。因此，偏转通常在几十毫弧度的范围内。

声光调制器的参数

• 典型的AOM具有毫米级的孔径大小。其上升时间表示设备的整体速度，即信号达到全功率所需的时间。
• AOM具有插入损耗，表示由于光学元件插入造成的损耗。
• 插入调制带宽是AOM的重要规格，有时称为调谐带宽或视频带宽，是输入（正弦波）调制频率，在该频率下频率偏移降低到其直流（DC）值的-3 dB。

AOM通常是机架式安装，并附有光纤尾纤，连接的设备是自支撑的（不需要额外系统），并保留入射信号的偏振。

图2展示了由行进声波携带的连续变化幅度调制信号和脉冲数字幅度调制信号。

图2：（a）连续变化幅度调制信号和（b）脉冲数字幅度调制信号

声光调制器的应用

声光调制器最常见的应用之一是激光频率调制。声光调制器可用于快速而准确地调制激光束的频率。这在许多应用中非常有用，例如激光光谱学，其中对激光频率的精确控制至关重要。它们还用于创建频率梳，广泛应用于精密计量、电信和高速数据传输等领域。

声光调制器的另一个重要应用是激光束引导。它们可以控制地偏转激光束，这在激光加工和材料处理等应用中非常有用，在这些应用中，激光束位置的精确控制至关重要。它们还用于激光扫描显微镜，用于快速扫描激光束穿过样本。

声光调制器还用于光信号处理应用。它们可以调制光信号的强度和相位，这在光通信等应用中非常有用，其中对信号特性的精确控制至关重要。AOM还可用于光开关和路由应用，用于将光信号引导到特定位置。

它们还用于声光成像，这是一种结合超声和光学成像的技术，用于生成生物组织的高分辨率图像。在声光成像中，超声波用于在组织中产生小位移，随后由光学探头检测。AOM用于调制光信号，从而能够精确控制图像的深度和分辨率。

这些调制器还用于光学捕获和操控应用，用于创建可以捕获和操控小颗粒（如细胞和细菌）的光学镊子。在光学捕获中，使用紧聚焦的激光束捕获颗粒，而AOM用于调制激光束的强度和相位，从而能够精确控制颗粒的位置和运动。

声光调制器还广泛应用于激光打印机、录像机和视频投影系统。它们用于激光的Q开关，即调节和控制激光束强度。